機(jī)電自動(dòng)化控制中PLC技術(shù)的應(yīng)用

劉 淼，張宏圖，靳心雨，王 迪

（首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

PLC 技術(shù)是基于邏輯編程的自動(dòng)控制技術(shù)[1]，不僅可以輔助生產(chǎn)線自動(dòng)化效率的提升，還可以為生產(chǎn)單位節(jié)約大量的人力、物力，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化與智能化，有效提高加工企業(yè)在生產(chǎn)經(jīng)營中的經(jīng)濟(jì)效益。相比常規(guī)的控制技術(shù)，PLC 技術(shù)的抗干擾能力較強(qiáng)，加之其操作十分便捷，技術(shù)人員只需要了解其操作原理便可直接上手控制操作，使得相關(guān)工作的作業(yè)效率與執(zhí)行水平得到了很大的提升。

有研究學(xué)者提出基于ControlLogix 的控制方法，對(duì)設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行控制，減少能源消耗，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，但是依舊存在控制效率低的問題[2]。

因此，文章為了提高機(jī)電自動(dòng)化生產(chǎn)中的控制效率，引進(jìn)PLC 技術(shù)，設(shè)計(jì)一種針對(duì)機(jī)電工程的自動(dòng)化控制方法，通過此種方式優(yōu)化機(jī)電作業(yè)模式，提高機(jī)電運(yùn)行效率。

1 機(jī)電自動(dòng)化生產(chǎn)上位通信設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)基于PLC 技術(shù)的機(jī)電自動(dòng)化控制，應(yīng)在設(shè)計(jì)方法前，建立機(jī)電生產(chǎn)終端與PLC 之間的邏輯通信關(guān)系。在此過程中，明確PLC 的主要通信方式為上位通信，通信方式為使用PC 端總線與機(jī)電自動(dòng)化生產(chǎn)數(shù)據(jù)緩沖端口進(jìn)行連接，建立生產(chǎn)信息之間的通信連接關(guān)系[3]。此過程計(jì)算公式為：

式（1）中，n表示生產(chǎn)信息之間的通信連接關(guān)系建立過程；a表示數(shù)據(jù)緩沖端區(qū)域；b表示通信端節(jié)點(diǎn)邏輯關(guān)系；p表示串行程序；α表示數(shù)據(jù)總線數(shù)量。在此基礎(chǔ)上，設(shè)通信串口驅(qū)動(dòng)器作為連通裝置，將其與機(jī)電自動(dòng)化生產(chǎn)端的串行接口進(jìn)行連接[4]。連接時(shí)，使用RS232C 總線，進(jìn)行區(qū)段之間的1 ∶1連接（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互聯(lián)）。連接方式如圖1所示。

圖1 機(jī)電自動(dòng)化生產(chǎn)中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式

為確保上機(jī)位通信的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)在機(jī)電生產(chǎn)過程中對(duì)流通數(shù)據(jù)的可靠傳輸，應(yīng)設(shè)計(jì)通信協(xié)議，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與通信的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。此過程計(jì)算公式為：

式（2）中，μ表示數(shù)據(jù)交換與通信的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)；c表示通信協(xié)議。按照上述方式，進(jìn)行上機(jī)位通信的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，通信過程中，保證流通與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式為一致格式[5]。同時(shí)，將上機(jī)位通信連接中的專用單元通信協(xié)議配置對(duì)應(yīng)的通信協(xié)議，在協(xié)議的支撐下，用戶可以在響應(yīng)幀執(zhí)行的條件下，進(jìn)行終端的直接通信傳輸。以此完成機(jī)電自動(dòng)化生產(chǎn)上位通信設(shè)計(jì)。

2 基于PLC技術(shù)的機(jī)電自動(dòng)化終端邏輯規(guī)劃

完成上述設(shè)計(jì)后，引進(jìn)PLC 技術(shù)，對(duì)機(jī)電自動(dòng)化生產(chǎn)過程中的終端邏輯進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。明確自動(dòng)化生產(chǎn)終端的邏輯對(duì)象包括通信規(guī)劃、生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸感應(yīng)規(guī)劃、數(shù)據(jù)形式轉(zhuǎn)換規(guī)劃等，為確保機(jī)電自動(dòng)化生產(chǎn)終端的良好通信，可進(jìn)行PLC 指令信號(hào)的預(yù)處理[6]。預(yù)處理過程如下計(jì)算公式所示。

公式（3）中：M表示PLC 指令信號(hào)的預(yù)處理；表示生產(chǎn)數(shù)據(jù)傳輸感應(yīng)；a表示數(shù)據(jù)形式轉(zhuǎn)換；γ表示原始信號(hào)；N表示信號(hào)權(quán)重。為避免在控制過程中由于信號(hào)傳輸延時(shí)導(dǎo)致的非線性誤差問題?？稍谏鲜鰞?nèi)容的基礎(chǔ)上，進(jìn)行PLC 控制過程的模糊設(shè)計(jì)。在此過程中，設(shè)定一個(gè)機(jī)電自動(dòng)化生產(chǎn)邏輯精度偏差值，將其表示為E，參照模糊推理表，將決策值轉(zhuǎn)換為模糊處理值，通過此種方式，計(jì)算得到機(jī)電自動(dòng)化終端邏輯規(guī)劃或控制的有效區(qū)間[7]。計(jì)算公式為：

式（4）中，E表示機(jī)電自動(dòng)化終端邏輯規(guī)劃或控制的有效區(qū)間；m表示比例因子；e表示限值；H表示極小值；L 表示極大值。根據(jù)邏輯控制可調(diào)度區(qū)間，對(duì)機(jī)電自動(dòng)化生產(chǎn)過程中的終端邏輯進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程計(jì)算公式為：

式（5）中，A表示機(jī)電自動(dòng)化終端邏輯規(guī)劃；k表示控制分量；F表示規(guī)劃精度偏差（補(bǔ)償值）；f（x）表示控制函數(shù)。通過上述計(jì)算公式，對(duì)機(jī)電自動(dòng)化生產(chǎn)過程中的邏輯行為進(jìn)行主動(dòng)控制，以此種方式完成對(duì)終端的邏輯規(guī)劃。

3 機(jī)電生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程自適應(yīng)控制

在上述設(shè)計(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，使用PLC 控制技術(shù)中的圓周控制方式與直線控制方式，進(jìn)行機(jī)電生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程中的自適應(yīng)控制[8]。為滿足控制需求，此次設(shè)計(jì)引進(jìn)PID 自適應(yīng)算法，進(jìn)行機(jī)電生產(chǎn)終端控制行為的設(shè)計(jì)。此過程計(jì)算公式為：

式（6）中，K表示機(jī)電生產(chǎn)終端控制行為；C表示直線控制函數(shù);表示控制信號(hào)；δ1表示傳輸單元；δ2表示接收單元。在此基礎(chǔ)上，考慮到機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制要想達(dá)到預(yù)期的效果，還應(yīng)在控制過程中，對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行自適應(yīng)匹配[9]。此過程計(jì)算公式為：

式（7）中，P表示自適應(yīng)匹配；t表示匹配行為發(fā)生時(shí)刻；z表示自適應(yīng)算法；u0表示機(jī)械位移量；ω表示控制信號(hào)增益值。確?？刂浦噶钆c機(jī)電生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)行為軌跡的匹配后，將模擬量作為參照，將控制指令中的執(zhí)行參數(shù)錄入工作區(qū)，此時(shí)終端計(jì)算機(jī)設(shè)備中的CPU 將主動(dòng)執(zhí)行行為運(yùn)動(dòng)量的計(jì)算[10]。根據(jù)計(jì)算得到的運(yùn)動(dòng)量，進(jìn)行PLC 控制量的輸出，按照預(yù)設(shè)的控制量，將機(jī)械行為控制到指定位置，以此實(shí)現(xiàn)基于PLC 技術(shù)的機(jī)電自動(dòng)化生產(chǎn)控制。

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

在上述論述基礎(chǔ)上，從理論方面完成對(duì)PLC 技術(shù)在控制方法中的應(yīng)用研究，為進(jìn)一步驗(yàn)證提出的基于PLC 技術(shù)的機(jī)電工程自動(dòng)化控制方法的實(shí)際應(yīng)用效果，選擇將該控制方法作為實(shí)驗(yàn)組，將文獻(xiàn)[2]中的基于ControlLogix 的控制方法作為對(duì)照組，開展下述對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

以某生產(chǎn)企業(yè)常用的機(jī)電設(shè)備作為實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象。在該設(shè)備不加負(fù)載、PLC 和PC 串口斷開、PLC無程序輸入的情況下，采用220 V 交流輸入電源為CPU 和擴(kuò)展I/O 單元進(jìn)行單獨(dú)供電。在實(shí)驗(yàn)過程中，針對(duì)該機(jī)電設(shè)備，共設(shè)置8組控制指令。其具體內(nèi)容如表1所示。

表1 機(jī)電設(shè)備控制指令表

在兩種控制方法下，分別遵照上述控制指令對(duì)機(jī)電設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行觀察和記錄。為實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行情況的準(zhǔn)確捕捉，設(shè)置如圖2所示設(shè)備連接方式。

圖2 機(jī)電設(shè)備連接示意圖

利用圖2中的圖像采集方式，可對(duì)機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行過程中的各個(gè)動(dòng)作完成情況進(jìn)行拍照記錄，通過觀察照片，可直觀地進(jìn)行機(jī)電設(shè)備運(yùn)行情況判斷。

將圖2中的設(shè)備連接方式構(gòu)建的環(huán)境作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境。在這一環(huán)境中，針對(duì)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行記錄，將設(shè)備遵照控制指令完成正確動(dòng)作記為T，將設(shè)備未遵照控制指令完成動(dòng)作記為F。通過對(duì)圖像采集卡采集到的畫面觀察，并將機(jī)電設(shè)備在兩種控制方法下的運(yùn)行結(jié)果記錄，得到如表2所示效果對(duì)比。

表2 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組兩種控制方法控制效果對(duì)比

從表2中得到的數(shù)據(jù)可以看出，在8種不同控制指令下，按照實(shí)驗(yàn)組控制方法，機(jī)電設(shè)備能夠正確運(yùn)行次數(shù)與總控制次數(shù)相比，基本相差在0～1次范圍內(nèi)，而對(duì)照組正確運(yùn)行次數(shù)與總控制次數(shù)相比相差較大，均超過10次。由此可以看出，實(shí)驗(yàn)組控制方法正確率更高，效果更理想。

在上述實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，再針對(duì)兩種控制方法的控制效率進(jìn)行對(duì)比。控制效率可通過正確控制次數(shù)與這一過程中總耗時(shí)的比值計(jì)算得出，控制效率越高，說明機(jī)電設(shè)備在實(shí)現(xiàn)正確操作的過程中，消耗的時(shí)間更短，進(jìn)而促進(jìn)機(jī)電設(shè)備自身運(yùn)行效率提升；反之，控制效率越低，則說明機(jī)電設(shè)備在實(shí)現(xiàn)正確操作的過程中，消耗的時(shí)間更長，進(jìn)而會(huì)影響到機(jī)電設(shè)備本身的運(yùn)行效率。根據(jù)上述論述，將兩種控制方法下的控制效率進(jìn)行記錄，并將結(jié)果以曲線圖的形式繪制成圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組兩種控制方法控制效率對(duì)比

通過圖3 可知，機(jī)電設(shè)備在執(zhí)行8 種不同控制指令時(shí)，實(shí)驗(yàn)組控制方法的控制效率均在10次/30 min 以上，而對(duì)照組控制方法的控制效率均小于5次/30 min。實(shí)驗(yàn)組的控制效率高于對(duì)照組，說明文中控制方法可有效促進(jìn)機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行過程中效率的提升，具備極高的應(yīng)用價(jià)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備的理想控制。

5 結(jié)束語

文章從機(jī)電自動(dòng)化生產(chǎn)上位通信設(shè)計(jì)、機(jī)電自動(dòng)化終端邏輯規(guī)劃、機(jī)電生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程自適應(yīng)控制三個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)了基于PLC 技術(shù)的控制方法設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證了該方法可有效促進(jìn)機(jī)電設(shè)備在運(yùn)行過程中的效率提升。在后續(xù)的研究中，還應(yīng)加強(qiáng)實(shí)際應(yīng)用的測(cè)試，進(jìn)一步優(yōu)化與完善該方法，為我國機(jī)電等工業(yè)領(lǐng)域的建設(shè)、生產(chǎn)與發(fā)展創(chuàng)造更高的收益與價(jià)值。